Y Chromozom & Mužská Neplodnost

náš výzkum chromozomu Y a mužské neplodnosti

spolu s vývojem ICSI v roce 1993 bylo naše centrum první, kdo studoval chromozom Y a mužskou neplodnost, a proč se malé množství spermií často vyskytuje ve varlatech azoospermických mužů, o nichž se dříve myslelo, že nevytvářejí žádné spermie. Pravděpodobně jste hodně slyšeli o chromozomu Y. To je to, co určuje, že muž je muž. V naší první vědecké práci jsme o tom v roce 1995 zjistili, že chromozom Y obsahuje mnoho genů, které se podílejí na spermatogenezi, a delece zahrnující tyto geny se často vyskytují u neplodných mužů. O našem objevu těchto genů produkujících spermie na Y proběhlo velké množství neznámých diskusí a mnoho dezinformací. Takže na této stránce, pokusím se objasnit zmatek, abyste lépe porozuměli genetice mužské neplodnosti. Naše sekvenování DNA Y nám dává hluboký pohled na geny neplodnosti, které jsou rozšířené v celém genomu a které se také podílejí na přenosu neplodnosti na budoucí generace. Výhodou pochopení chromozomu Y je, že nám pomůže pochopit, proč muži, kteří jsou zdánlivě azoospermičtí, mají obvykle nějaké zbytkové malé množství spermatogeneze, které lze použít pro úspěšné ICSI. Ještě důležitější je, že odhalí marnost pokusu o zvýšení počtu spermií pomocí léků nebo operace varikokély.

až před dvěma desetiletími neexistovaly žádné možnosti léčby neplodných párů, když měl muž vážně narušenou spermatogenezi. Ve skutečnosti stále neexistují žádné klinické terapie k nápravě nedostatečné spermatogeneze. Od zavedení ICSI námi a Bruselskou holandsky mluvící svobodnou univerzitou v 1992 však došlo k revoluci v našem myšlení o mužské neplodnosti. Neplodné páry s nejzávažnějšími případy mužské neplodnosti, a to i se zjevně 100% abnormální morfologií a dokonce jen vzácnými spermiemi v ejakulátu, mohou nyní mít těhotenství a porodnost, které se zjevně neliší od konvenčního IVF s normálním spermatem.

v roce 1993 jsme jako první zavedli mikrochirurgickou epididymální aspiraci spermií (MESA) ve spojení s ICSI pro léčbu obstrukční azoospermie. O několik měsíců později bylo také zjištěno, že TESE (extrakce spermií varlat) je účinná i pro většinu případů neobstrukční azoospermie. Důvodem je to, že přibližně 60% azoospermických mužů s pravděpodobně žádnou produkcí spermií ve skutečnosti má minutové množství produkce spermií ve varlatech, které prostě kvantitativně nestačí k přelití do ejakulátu,ale které je dostatečné pro ICSI. Takže i muži se spermatogenezí tak nedostatečným množstvím, že žádné spermie vůbec nemohou dosáhnout ejakulátu, by nyní mohli mít děti s použitím TESE-ICSI.

chromozom Y a spermatogeneze u lidí a lidoopů

porovnání spermatogeneze u lidí, šimpanzů a goril bylo vždy fascinující. Šimpanzi, kteří váží jen asi 100 liber, mají obrovské kulaté (ne oválné) varlata o průměru 8 centimetrů s počtem spermií přes miliardu na ml. Přesto gorily, které váží až 600 liber nebo více, mají malá varlata, velmi špatnou spermatogenezi a v řídké literatuře o histologii varlat goril, ve většině případů mají to, co se zdá být pouze Sertoliho buňkou. Lidé, nejbližší žijící příbuzní šimpanzů a goril, spadají někde mezi.

obecně přijímaný důvod tohoto masivního rozporu v spermatogenezi mezi těmito třemi blízce příbuznými druhy spočívá v jejich odlišných vzorcích Páření. Šimpanzi se shromažďují v souborech 30 na 40 v rozšířené rodině, kde každá žena, která jde do tepla, je okamžitě namontována každým mužem v souboru. Proto existuje intenzivní „soutěž“ mezi spermiemi různých mužů, aby se zjistilo, který z nich oplodí vajíčka žen. Je mnohem pravděpodobnější, že muž s nejvyšším počtem spermií a největšími varlaty se stane otcem mužského potomka kvůli vysokému stupni „soutěže spermií“ u šimpanzů.

u goril je tomu naopak. Každá žena je trvale připojena pouze k jednomu samci silverback alpha, a pokud někdy otěhotní,bude to muset být pouze s jeho spermatem. Takže v gorilách není soutěž spermií. To má za následek malá varlata s velmi nízkým počtem spermií u těchto jinak obrovských, velmi macho zvířat. Ale proč tomu tak je? Odpověď spočívá ve zvláštní nestabilitě nerekombinujícího chromozomu Y.

vícenásobné nukleotidové sekvence přímé a obrácené opakování (amplicony a palindromy) jsou místo, kde jsou umístěny všechny geny spermatogeneze specifické pro varlata na Y. Tyto oblasti jsou náchylné k častým delecím způsobeným nehomologní, nebo „nelegitimní“ homologní rekombinace sama se sebou, což má za následek výpadky často obrovských kusů DNA, takže koncentrace genů spermatogeneze na chromozomu Y má velmi křehkou existenci. Takže bez soutěže spermií se počet spermií po celé věky pravděpodobně sníží.

nejzajímavější je porovnat lidský chromozom Y s chromozomem šimpanze Y, který byl plně a přesně sekvenován. Bohužel gorila Y ještě nebyla sekvenována. Nicméně jsou zaznamenány některé zajímavé rozdíly mezi lidským Y a šimpanzem y. Za prvé, šimpanz Y má mnohem více ampliconů a palindromů než člověk, a přesto mnohem méně ampliconických genů (25 ve srovnání s 60). Kromě toho šimpanzi Y chybí Gen (PRY), který je přítomen na AZFc u člověka, ale zcela chybí u šimpanze. Kromě toho bylo také zjištěno, že tento gen chybí u vzácných lidí, kteří mají neuvěřitelně vysoký počet spermií a blíží se půl miliardě. Porovnání super úrodného šimpanzího chromozomu Y s jeho méně úrodným lidským bratrancem nám tedy může pomoci lépe porozumět genetické kontrole spermatogeneze u našich neplodných mužských pacientů.

genetické příčiny mužské neplodnosti: role chromozomu Y

chromozomální abnormality u mužů, jako jsou translokace a inverze, které lze nalézt při rutinní karyotypizaci, se vyskytují přibližně u 1% azoospermických mužů. Nejčastějšími chromozomálními abnormalitami u azoospermických mužů jsou však abnormality zahrnující pohlavní chromozomy, které se vyskytují přibližně u 4% těchto mužů. Klinefelterův syndrom, u kterého pacienti vykazují 47, XXY karyotyp, je nejčastější formou. I v těchto případech můžeme obvykle najít několik vzácných spermií vhodných pro plodnost pomocí ICSI.

procento mužské neplodnosti, které lze vysvětlit samotnou karyotypizací, je však nízké, což je způsobeno hlavně nízkým rozlišením rutinních cytogenetických studií. Teprve při vývoji moderních molekulárních technik, jako je polymerázová řetězová reakce (PCR), jsme mohli studovat genetické příčiny mužské neplodnosti mnohem podrobněji. Od té doby bylo u neplodných mužů popsáno mnoho dalších genetických abnormalit, jako jsou mikro-delece a bodové mutace, přičemž většina výzkumu se zaměřila na roli genů na lidském chromozomu Y. Ukázali jsme, že dlouhé rameno chromozomu Y neobsahuje jeden, ale mnoho odlišných delečních intervalů a nejméně 60 genů patřících do devíti genových rodin, jejichž výlučná funkce je ve spermatogenezi.

ve skutečnosti je frekvence delece jedné nebo více z těchto oblastí na chromozomu Y u mužů s azoospermií nebo těžkou oligozoospermií přibližně 15% (Obrázek 1). Po naší počáteční zprávě mnoho laboratoří po celém světě informovalo o těchto submikroskopických delecích chromozomu Y u azoospermických a těžce oligozoospermických mužů. Ve skutečnosti je deleční screening chromozomu Y nyní považován za standardní praxi pro těžce oligozoospermické a azoospermické pacienty podstupující asistovanou reprodukci ve většině zemí světa.

AZFa & b

oblast AZFa se liší od oblastí AZFb a AZFc kvůli své neopakující se struktuře a nízké frekvenci delece. Odstranění AZFa je velmi velmi vzácné a bylo popsáno pouze několik vzácných pacientů (Obrázek 2). Studie této oblasti jsou však velmi užitečné při pochopení genetického základu mužské neplodnosti. Nedostatek sekvenčních opakování, které trápí zbytek chromozomu Y, učinil tuto konkrétní oblast Y přístupnou k vyhledávání bodových mutací. Protože téměř všechny ostatní geny spermatogeneze na chromozomu Y, jako jsou geny v AZFb a AZFc, jsou multicopy, hledání bodových mutací v těchto genech je prakticky nemožné. Je také sporné, zda bodové mutace v jediném genu genové rodiny povedou k závažnému fenotypu neplodnosti, protože zbývající neporušené kopie genu by mohly potenciálně kompenzovat ztrátu funkce mutovaného genu. To je důležitá lekce, proč spermatogenní defekty přicházejí v různé míře závažnosti a proč i u azoospermických mužů je obvykle stále malé množství zdravých spermií“ skrývajících se “ ve varlatech.

oblast AZFa tak také poskytuje dobrý model pro interakci a překrývající se funkce více genů, které vrhají světlo na polygenní povahu genetické kontroly spermatogeneze. Větší delece Y (které vylučují více genů) jsou spojeny s menší pravděpodobností nalezení dostatečného množství spermií pro ICSI než menší delece (obrázek 3).

delece oblasti AZFb jsou o něco častější než delece oblasti AZFa, ale stále se vyskytují u velmi malého procenta azoospermických mužů. Je zajímavé, že všichni muži s dosud popsanými delecemi AZFb jsou azoospermičtí a také vykazují úplnou nepřítomnost spermií ve varlatech. Ve skutečnosti oblast často označovaná zjednodušeně jako AZFb překrývá AZFc a má obrovské množství opakovaných kopií genů a pseudogenů (RBMY, PRY, TTTY) uspořádaných v komplexu palindromů(invertované opakované sekvence). Delece v této oblasti Y jsou masivní a jsou mnohem méně časté než v AZFc a jsou způsobeny slabými „zarážkami“ ve středu obrácených opakování.

další informace o:

AZFc

AZFc je první oblastí Y, kterou jsme studovali úplně u plodných a neplodných mužů. Nejčastěji odstraněnou a nejlépe studovanou oblastí na chromozomu Y je oblast AZFc. Delece oblasti AZFc se vyskytuje přibližně u 12% azoospermických mužů a u 6% těžce oligozoospermických mužů. Kompletní nukleotidová sekvence oblasti AZFc odhalila mimořádnou strukturu a genetické složení. Oblast je konstruována z masivních oblastí absolutní sekvenční identity zvané amplikony, které jsou uspořádány v přímých opakováních, a obrácené opakování nebo palindromy. Oblast AZFc pokrývá 3, 5 Mb a obsahuje sedm samostatných rodin genů s celkem 19 geny, které jsou všechny výlučně exprimovány ve varlatech (obrázek 3). Zajímavé je, že absence tohoto velkého 3,5 Mb AZFc kusu chromozomu Y nemá žádný jiný škodlivý účinek na muže, s výjimkou spermatogeneze, která ilustruje pozoruhodně specializovanou funkci této oblasti y. Tyto geny ovlivňují pouze spermatogenezi a nic jiného.

rodina genů DAZ, která je jednou ze sedmi genových rodin umístěných v AZFc, byla jedním z prvních genů spermatogeneze identifikovaných na lidském chromozomu Y. Lidské geny DAZ byly transkribovány specificky ve spermatogonii a v časných primárních spermatocytech. Zajímavé je, že homologové DAZ u jiných druhů se také podíleli na kontrole spermatogeneze, podpora a zásadní role tohoto genu v mužské plodnosti u lidí i téměř u všech ostatních zvířat. Homology DAZ byly nalezeny u Drosophily (nazývané Boule), u myší (nazývané Dazl), u žab (nazývané Xdazl) a dokonce u červů (nazývané daz-1). Proto je DAZ nejstarším a dobře konzervovaným spermatogenním genem. Na rozdíl od lidí je gen DAZ u těchto jiných druhů jedinou kopií a Nachází se spíše na autosomu než na chromozomu Y. U člověka je DAZ přítomen na Y ve čtyřech téměř identických opakovaných kopiích (99,9% homologie) uspořádaných ve dvou shlucích se dvěma geny v každém shluku.

člověk si také zachovává autosomální homolog DAZ zvaný DAZL, který je umístěn na chromozomu 3s. během evoluce, nějaký čas po rozdělení opic starého a Nového světa přibližně před 30 miliony let, byl gen DAZL transponován na chromozom Y (obrázek 4). Jakmile byl autosomální DAZL transponován do Y, byl zesílen a prořezán, dokud se nestal moderní čtyřčlennou rodinou DAZ genů na Y. Ve skutečnosti existuje ještě další homolog rodiny DAZ u lidí, nazývaný BOULE, který se podobá homologovi mouchy boule, ještě těsněji než DAZ nebo DAZL. Přesná interakce a možné funkční překrývání mezi těmito třemi členy této zajímavé genové rodiny drží vodítko ke zvláštnímu nálezu několika přežívajících spermií ve varlatech azoospermických mužů.

právě tato mnohočetnost kopií genů, z nichž všechny kvantitativně přispívají k celkové produkci spermií, vysvětluje nepatrné množství spermií, které můžeme najít u TESE u azoospermických mužů, kvůli „záchraně“ z pokračující přítomnosti alespoň jedné z těchto kopií genů, i když většina chybí nebo je odstraněna.

odstranění celé oblasti AZFc má za následek ztrátu všech čtyř kopií DAZ. Delece zahrnující pouze některé z genů DAZ se vyskytují také u neplodných mužů, ale tyto menší delece se vyskytují u mužů pouze s mírnou oligozoospermií, což naznačuje možný účinek dávkování genu, tj. muži s delecí pouze dvou genů DAZ jsou méně postiženi než muži s delecí všech čtyř kopií. Tato data ilustrují, že neplodnost je komplexní multigenní porucha a že narušení různých genů nebo narušení některých genů genové rodiny může mít za následek různé stupně spermatogenního selhání.

evoluce a genetická konstituce lidského chromozomu Y

co dělá chromozom Y se svými matoucími opakováními, polymorfismy a degenerujícími oblastmi tak zajímavým studijním objektem pro mužskou neplodnost? Odpověď spočívá v evoluční historii chromozomů X a Y. V průběhu posledních 240-320 milionů let evoluce savců se chromozomy X a Y vyvinuly z původně dvojice obyčejných autosomů (obrázek 5). Během této evoluce, stejně jako většina genů X předků se rozpadala na Y kvůli nedostatku meiotické rekombinace, geny, které řídí spermatogenezi, dorazily na Y Z autosomů. Jednou na Y, tyto dříve autozomální geny se amplifikovaly do více kopií, a dosáhl většího významu procesem zvaným „genová konverze.“Geny spermatogeneze, které dorazily na Y, ale pocházely původně z autosomů, zahrnují geny DAZ (z autosomu 3) a CDY (z autosomu 6), které patří mezi sedm genových rodin umístěných v AZFc (obrázek 6). Jiné geny spermatogeneze na Y, jako je RBMY, přetrvávaly ve své původní poloze jako na X. rodový gen, který zůstal na chromozomu X (RBMX), si zachoval své rozšířené buněčné funkce, zatímco RBMY, který přetrvával na ustupujícím chromozomu Y, vyvinul samčí specifickou funkci ve spermatogenezi. Mužské prospěšné geny tak dorazily a nahromadily se na vyvíjejícím se chromozomu Y po mnoho milionů let.

tento vývoj moderních chromozomů X a Y byl iniciován vznikem genu určujícího pohlaví (nyní známého jako SRY) na původně obyčejném páru autosomů (obrázek 5). Geny spojené s nekombinující oblastí SRY, které byly specificky prospěšné pro mužskou funkci nebo antagonistické pro ženskou funkci, vzkvétal na vyvíjejícím se chromozomu Y navzdory zhoršení generalizovanějších genů, které postrádaly výhody opravy DNA meiózy.

další otázkou, kterou představuje vývoj chromozomů X a Y, což je zásadní pro pochopení mužské neplodnosti a ICSI, je, jak tento degradovaný chromozom Y vůbec přežil? Nedostatek rekombinace mužského chromozomu Y vedl k úplnému zhoršení a ztrátě většiny původních 1 438 genů (počet genů na jeho odpovídajícím X) a akumulaci pouze 60 genů (pouze 9 genových rodin), které jsou specifické pro muže, které se nacházejí v oblastech sekvence identita, která podporuje další delece. Jak tedy Y vůbec přežívá a proč si my lidé vůbec uchováváme nějakou spermatogenezi?

odpověď je “ genová konverze.“Odpovídá na otázku, jak se tyto amplikonické opakování a palindromické inverze vůbec vyskytují. Když se autosomy rekombinují během meiózy, DNA se vyměňuje tak, aby se nahromaděné mutační chyby života opravily v zárodečných buňkách prostřednictvím této výměny DNA. V jistém smyslu mají autosomy „sex“ mezi sebou. Tato korekční meióza nemůže nastat u chromozomu Y. Namísto, Y má“ sex “ sám se sebou. To znamená, že podobná sekvence opakuje Y jen „rekombinovat“ v jistém smyslu s sebou, „nelegitimní“ homologní rekombinace. Tato „genová konverze“vytváří a opravuje tyto vícenásobné kopie a opakuje obrácenou sekvenci DNA, která charakterizuje chromozomy Y a skutečně všechny sex určující. Takže pokud existuje chybějící nebo odstraněná kopie genu spermatogeneze, existují další záložní kopie, které mohou do určité míry zachránit spermatogenezi.

závěry o y delecích a ICSI

použití ICSI se za poslední desetiletí ohromně zvýšilo a v současné době dokonce umožňuje azoospermickým mužům s jen nepatrnými množstvími spermií ve varlatech otcům dětí. Ve většině případů neexistuje zjevné vysvětlení nedostatečné produkce spermií u muže jiného než genetického, a je možné, že samci ICSI-potomci zdědí aberaci, a proto budou také neplodní. Tato možnost zřídka odradí neplodný pár od podstoupení ICSI. Studie o úloze delecí Y v mužské neplodnosti poskytly nové poznatky o tom, proč můžeme najít spermie u azoospermických mužů. Aberace na chromozomu Y se v současné době vyskytují u přibližně 15% neplodných mužů. Většina, i když ne všichni, z těchto mužů stále mají určitý stupeň spermatogeneze, která má za následek dostatečné spermie k provedení ICSI a mít děti. Přítomnost delecí Y nesnižuje míru oplodnění nebo těhotenství, což těmto mužům umožňuje otce dětí se stejnou účinností jako muži bez odstranění Y podstupující ICSI.

Viz také:

Máte-li jakékoli dotazy, můžete nám zavolat na (314) 576-1400.